高空螺旋桨等离子体流动控制的地面缩比实验模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高空螺旋桨等离子体流动控制的地面缩比实验模拟方法，具体涉 及一种利用地面常规设备模拟等离子体控制螺旋桨在高空低气压条件下的流场结构，属于 空气动力试验领域。
【背景技术】
[0002] 临近空间指距地面20-100千米的空域。在这一空域飞行的低速临近空间飞行器 主要包括平流层飞艇、平流层无人机等，其在军事、民用领域具有重要的应用前景，国内外 公开报道的低速临近空间飞行器绝大部分使用螺旋桨作为动力推进系统，但是由于临近空 间气压低、空气密度小等原因，临近空间飞行器螺旋桨的推力和效率很低，目前多通过优化 螺旋桨桨叶叶素构型、采用机械变结构螺旋桨、双螺旋桨、协同射流等方法提高临近空间飞 行器螺旋桨性能，随着等离子体流动控制技术的发展，使用等离子体控制临近空间飞行器 螺旋奖成为一种新的趋势（Numerical study on propeller flow separation control by DBD plasma aerodynamic actuation, IEEE Transactions on plasma Science, 2013 年 4 月，Yufeng Cheng, XuekeChe, WanshengNie)〇
[0003] 螺旋桨气动性能分析的理论方法主要有动量理论、叶素理论、涡流理论、片条理 论、涡格升力线理论、涡格升力面理论等（空气螺旋桨理论，北京航空航天大学出版社， 2006,刘沛清.），随着计算技术发展，数值仿真方法也成为一种重要研宄方法。在实验研宄 方面，多基于前进比、雷诺数相似等相似原则，采用缩比螺旋桨在风洞中开展实验研宄（平 流层飞艇螺旋桨地面风洞试验，航空动力学报，2011年8月，刘沛清，马蓉，段中喆，马利 川.），不过对于平流层飞艇的高空螺旋桨等离子体流动控制而言，等离子体的放电特性受 到周围环境气压的严重影响，可以通过在低密度、低速风洞进行实验来解决这一问题，但是 建设低密度、低速风洞的成本非常高，不具有推广性，导致国内外目前开展的等离子体流动 控制实验研宄多没有考虑这一问题，仅装备学院根据自由射流雷诺相似原则开展了地面模 拟高空等离子体控制翼型流动分离的实验研宄，但是在等离子体相似原则方面还存在不 足。
[0004] 综上所述，关于等离子体流动控制的实验研宄较多，但没有考虑等离子体相似问 题；平流层飞艇高空螺旋桨实验研宄较多，多采用缩比螺旋桨实验方法；目前没有见到平 流层飞艇高空螺旋桨等离子体流动控制实验研宄的公开报道。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种在地面常规风洞中通过缩比螺旋桨表面介质阻挡放电 等离子体流动控制实验，模拟高空螺旋桨表面介质阻挡放电等离子体流动控制的实验方 法。本发明方法可以利用现有常规风洞开展，具有成本低、推广性好等优势。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种高空螺旋桨等离子体流动控制的地面缩比实验模拟方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1，根据高空螺旋桨等离子体激励器的结构参数制作实际等离子体激励器；
[0009] 步骤2,测量静止空气中所述实际等离子体激励器放电产生的诱导流场的参数：
[0010] 当所述实际等离子体激励器的激励电源为交流电源时，测量所述实际等离子体激 励器的单位长度体积力或所述实际等离子体激励器诱导射流的速度剖面；
[0011] 当所述实际等离子体激励器的激励电源为高压脉冲电源时，测量所述实际等离子 体激励器工作环境的空气压力及放热产生的压力扰动；
[0012] 步骤3,计算所述高空螺旋桨等离子体激励器相似参数：
[0013] 当所述实际等离子体激励器的激励电源为交流电源时，根据所述实际等离子体激 励器的单位长度体积力或实际等离子体激励器诱导射流的速度剖面，通过以下公式计算相 似参数 Reppf、Reppv:
[0016] 当所述实际等离子体激励器的激励电源为高压脉冲电源时，根据所述实际等离子 体激励器工作环境的空气压力及放热产生的压力扰动，通过以下公式计算相似参数Ap' ：
[0017] Ap' = Ap/p
[0018] 其中，Reppf、Reppv、Ap'为相似参数，^为单位长度等离子体激励器产生的体积力， P是空气密度，y为空气粘性系数，D为所述高空螺旋桨桨叶直径，ns为所述高空螺旋桨转 速，静止空气中实际等离子体激励器诱导射流的最大速度，ha5为静止空气中等离子 体诱导射流最大速度半高宽，即速度等于最大速度1/2点距离壁面的高度；Ap为静止空气 中实际等离子体激励器放热产生的压力扰动，P为静止空气中实际等离子体激励器工作环 境的空气压力；
[0019] 步骤4,制作与所述高空螺旋桨满足几何相似的地面缩比螺旋桨；
[0020] 步骤5,确定所述地面缩比螺旋桨的模拟等离子体器结构参数和激励电源参数； 包括：
[0021] 步骤5. 1，制作试验等离子体激励器，按照步骤2的测量方式测量所述试验等离子 体激励器在地面大气环境中放电产生的诱导流场的参数，计算所述试验等离子体激励器用 于所述地面缩比螺旋桨时的相似参数；
[0022] 步骤5. 2,当所述试验等离子体激励器相似参数与所述高空螺旋桨等离子体激励 器的相似参数相等时，所述试验等离子体激励器即为所述高空螺旋桨的模拟等离子体激励 器，确定所述模拟等离子体器结构参数和激励电源参数；
[0023] 步骤6,将所述模拟等离子体激励器安装在所述地面缩比螺旋桨上；
[0024] 步骤7,将所述地面缩比螺旋桨安装在地面风洞中，开启风洞，根据所述模拟等离 子体激励器的激励电源参数进行放电，分别采集所述模拟等离子体激励器开启前后所述的 地面缩比螺旋桨的推力、扭矩，计算所述地面缩比螺旋桨的效率；
[0025] 步骤8,根据螺旋桨风洞实验理论，将所述地面缩比螺旋桨的推力、扭矩和效率推 广为所述高空螺旋桨的推力系数、扭矩系数和效率。
[0026] 进一步的，步骤1具体为：
[0027] 步骤1. 1，根据高空螺旋桨等离子体激励器的结构参数制作实际等离子体激励器， 并将所述实际等离子体激励器放置在空气密度与所述高空螺旋桨高空工作时相同的密闭 舱中；
[0028] 其中，所述高空螺旋桨等离子体激励器的结构参数指所述高空螺旋桨等离子激励 器的暴露电极、植入电极的宽度和厚度，介质阻挡层的材质和厚度，所述暴露电极和植入电 极在x方向的间隙；
[0029] 步骤1. 2,按照所述高空螺旋桨等离子激励器的激励电源参数对所述实际等离子 体激励器放电；
[0030] 当所述实际等离子体激励器的激励电源为交流电源时，测量所述实际等离子体激 励器的单位长度体积力，或测量所述实际等离子体激励器诱导射流的速度剖面；
[0031] 当所述实际等离子体激励器的激励电源为高压脉冲电源时，测量所述实际等离子 体激励器工作环境的空气压力及放热产生的压力扰动。
[0032] 进一步的，步骤4中所述模拟等离子体激励器是用于地面风洞实验的等离子体激 励器。
[0033] 步骤5中所述模拟